武汉大学， Nature Nanotechnology！

米测MeLab

2025-04-21

研究背景

钙钛矿材料因其优异的光电性能和低成本的制造工艺，成为下一代光伏材料的理想选择，广泛应用于太阳能电池、光电探测器、发光器件等领域。与传统的硅基材料相比，钙钛矿材料具有更高的光吸收效率、更广泛的光谱响应和更低的加工成本等显著优势。然而，钙钛矿太阳能电池（PSCs）尤其是在宽带隙钙钛矿（WBG）材料的应用中，仍面临诸多挑战，如晶体质量较差、相分离现象以及器件的稳定性问题，这些问题严重制约了其大面积器件的效率和商业化应用。

在此，武汉大学柯维俊教授团队在“Nature Nanotechnology”期刊上发表了题为“Piracetam shapes wide-bandgap perovskite crystals for scalable perovskite tandems”的最新论文。他们设计并制备了一种晶体修饰剂——吡拉西坦（piracetam），专门用于改善宽带隙钙钛矿的晶体结构和光电特性。该团队利用吡拉西坦显著提高了钙钛矿薄膜的晶粒尺寸和结晶质量，使得钙钛矿薄膜表现出优异的光电性能，并成功解决了大面积器件中常见的表面粗糙、不均匀性等问题。

研究通过吡拉西坦的调节，研究人员不仅促进了宽带隙钙钛矿的优先（110）晶面取向，还通过与PbI₂反应在晶界形成一维（Pi）PbI₃钙钛矿纳米针，进一步减少了缺陷，提高了光电均匀性和薄膜的稳定性。最终，该研究团队成功获得了具有较高PCE的大面积全钙钛矿串联太阳能电池（TSCs）。在0.07 cm²和1.02 cm²的小面积和大面积器件中，分别实现了28.71%（认证28.13%）和28.20%（认证27.30%）的高PCE，并且小面积与大面积器件之间的PCE损失仅为0.51%。    

研究亮点

（1）实验首次引入了晶体修饰剂吡拉西坦（piracetam）来调节宽带隙钙钛矿的成核过程，得到了大尺寸晶粒、优先（110）取向和均匀的光电特性。

（2）实验通过吡拉西坦与PbI₂的反应，在晶界形成了一维（Pi）PbI₃钙钛矿纳米针，显著提升了钙钛矿的结晶质量，减少了缺陷并增强了晶粒表面的平整度。

（3）实验通过调节WBG钙钛矿的晶粒生长和光电特性，成功提高了大面积全钙钛矿串联太阳能电池（TSCs）的性能和可重复性，获得了28.71%的PCE（认证值28.13%）和28.20%的PCE（认证值27.30%）分别在0.07 cm²和1.02 cm²的面积下。

（4）实验通过优化WBG钙钛矿的均质化过程，实现了大面积TSCs的高效能量转换效率，证明了该方法在不同钙钛矿组成中的广泛适用性，提升了PCE从23.56%至25.71%用于单结1.56 eV带隙太阳能电池。    

图文解读

图1：吡拉西坦作用于宽带隙钙钛矿示意图。

图2：吡拉西坦对宽带隙钙钛矿薄膜晶体的影响。

图3：吡拉西坦对全钙钛矿叠层电池的影响。

图4：2T全钙钛矿串联太阳能电池的性能

总结展望

总之，本文展示了吡拉西坦作为晶体修饰剂的有效性，通过该方法获得了具有优先取向、减少缺陷、提高结晶性和超平滑表面的高质量宽带隙（WBG）薄膜，并进一步形成一维（Pi）PbI₃钙钛矿以进一步提升器件性能。这种方法显著减少了开路电压（Voc）的损失，并大幅提高了WBG钙钛矿太阳能电池（PSC）和全钙钛矿串联太阳能电池（TSC）的功率转换效率（PCE）。

值得注意的是，吡拉西坦的引入最小化了小面积和大面积串联器件之间的效率差距，2T全钙钛矿TSC在0.07 cm²和1.02 cm²的孔径区域分别实现了PCE 28.71%（认证值28.13%）和28.20%（认证值27.30%）。尽管取得了这些进展，针对大面积串联模块仍然存在挑战，尤其是在相分离和离子迁移方面更加显著。进一步的进展需要采用Br减少的WBG子电池、无PEDOT:PSS的NBG子电池、稳健的隧穿层以及可扩展的沉积技术，并结合先进的界面工程策略，以推动全钙钛矿串联技术的持续发展。    

原文详情：

Fu, S., Zhou, S., Meng, W. et al. Piracetam shapes wide-bandgap perovskite crystals for scalable perovskite tandems. Nat. Nanotechnol. (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41565-025-01899-z